Ein Verfahren mit doppeltem Nutzen: Qualität in der Herstellung, Effizienz im Recycling

Der Bedarf an gegossenen Aluminiumbauteilen ist angesichts ihrer vielfältigen Einsatzmöglichkeiten enorm. Gleichzeitig gewinnen neben der reinen Bauteilqualität auch Themen wie Ressourcenknappheit, Nachhaltigkeit, Recycling und Kreislaufwirtschaft zunehmend an Bedeutung. Diese Veränderungen machen die Entwicklung innovativer und offener, automatisierter Schmelzverfahrenstechnologien notwendig. Genau hier setzt das Team des Steinbeis-Innovationszentrums Intelligente Funktionswerkstoffe, Schweiß- und Fügeverfahren, Exploitation an: Gemeinsam mit seinem Partner SMP Schüßler Modell- und Prototypenbau hat das Steinbeis-Unternehmen im Rahmen eines durch das Bundesministerium für Wirtschaft und Energie geförderten Projektes einen universell automatisierten Plasmalichtbogenschmelzbrenner entwickelt. Ausgestattet mit einem integrierten Polwechselsystem und modularen Funktionsbausteinen ermöglicht er das kontinuierliche Schmelzen von Metallwerkstoffen mithilfe eines großflächigen, leistungsstarken Plasmalichtbogens.

Der Trend zu umweltfreundlichen und energieeffizienten Verfahrenstechnologien, um Funktionsbauteile und Produkte herzustellen, führt zur Entwicklung neuer Leichtbaukonzepte. Sie legen den Fokus auf die Reduktion des Bauteilgewichts bei gleichbleibender oder erhöhter Leistungsfähigkeit. Gegossene Aluminiumbauteile finden in vielen Branchen wie der Energieerzeugung (Transformatoren, Generatoren und Elektromotoren), der Fahrzeug- und Luftfahrtindustrie sowie im Maschinenbau zahlreiche Anwendungen und tragen maßgeblich zum Gelingen der Energiewende bei. Dabei spielt die Qualität der Bauteile eine entscheidende Rolle: Gussfehler sollen reduziert beziehungsweise vermieden werden. Dazu zählen unter anderem Oberflächen- und Volumenfehler (zum Beispiel Risse, Poren, Fehlstellen beziehungsweise Hohlräume, Gefügefehler sowie geringe Maß- und Formhaltigkeit), die die Einsetzbarkeit der Bauteile einschränken oder verhindern.

Auch das Thema Nachhaltigkeit und Ressourceneffizienz bei der Herstellung von Aluminiumgussbauteilen rückt zunehmend in den Fokus. Um den Bedarf an Metallrohstoffen zu decken, Ressourcen zu schonen und Emissionen zu reduzieren, sollten Ausschuss- und Restteile sowie Späne metallischer Werkstoffe recycelt und wieder in den Wirtschaftskreislauf zurückgeführt werden. Dadurch können beispielsweise Aluminiumrohstoffe für industrielle Anwendungen rückgewonnen werden. So kann ein nachhaltiger und sparsamer Umgang mit Metallrohstoffen entlang der gesamten Herstellungskette erreicht werden. Dieser wachsende Markt bietet insbesondere für kleine und mittelständische Unternehmen ein großes Potenzial, erfordert jedoch innovative, automatisierte und offene Schmelzverfahrenstechnologien.

Plasmalichtbogenschmelzbrenner: flexibel, nachhaltig, qualitativ hochwertig

Vor diesem Hintergrund entwickeln das Team des Steinbeis-Innovationszentrums Intelligente Funktionswerkstoffe, Schweiß- und Fügeverfahren, Exploitation und sein Projektpartner SMP Schüßler Modell- und Prototypenbau einen universell automatisierten Plasmalichtbogenschmelzbrenner mit integriertem Polwechselsystem und Funktionsmodulen. Er ermöglicht das kontinuierliche Schmelzen von Metallwerkstoffen unter Verwendung eines großflächigen, leistungsstarken Plasmalichtbogens. Die erzeugte Schmelzmasse wird in einem entwickelten offenen Gießmodulsystem unter Schutzgasatmosphäre kontinuierlich weiterverarbeitet und über eine Schmelzrutsche in ein Tiegelsystem für den Gießprozess überführt. Mit der Herstellung von Aluminiumguss-Musterteilen sowie dem Schmelzen unterschiedlicher Recyclingwerkstoffe konnte die Funktionalität der entwickelten Verfahrenstechnologie nachgewiesen werden.

Mit dem Einsatz dieses Verfahrens in der Metallschmelztechnik – insbesondere zur Herstellung von Aluminiumgussbauteilen und zum Recycling metallischer Werkstoffe – werden mehrere technisch-technologische und wirtschaftliche Ziele erreicht:

• hohe Verfahrensflexibilität hinsichtlich Werkstoffeinsatz, Umsetzung und Bauteilgeometrie,
• qualitätsgerechte Herstellung einfacher und komplexer Aluminiumgussbauteilgeometrien mit definierbaren mechanisch-metallurgischen Eigenschaften,
• energieeffizientes Recycling metallischer Werkstoffe durch das Schmelzen von Rest- und Ausschussteilen sowie Metallspänen bei reduziertem Energie- und Technologieaufwand,
• Rückgewinnung von Metallrohstoffen,
• geringere Anschaffungs- und Betriebskosten durch reduzierte Prozessschritte und Fertigungskosten, geringeren Energiebedarf und nachhaltige Materialausnutzung sowie
• ein insgesamt nachhaltiger Produktionsprozess.

Vom Konzept bis zur Gesamtanlage

Für die Entwicklung und den Aufbau des Brennersystems wurde im ersten Schritt ein Konzept erarbeitet. Ein Plasmabrenner mit übertragener Lichtbogentechnik, integrierter Stromquelle sowie Plasma- und Schutzgaszufuhr und einer Pendeleinheit zur Querbewegung des Brenners wurde für eine elektrische Leistung von 12 kW ausgelegt. Dazu entwickelte das Projektteam notwendige Funktionsparameter sowie Materialien und Hilfsstoffe in Abhängigkeit von definierten technischen Zielparametern, um einen sicheren Prozessablauf zu gewährleisten. Mithilfe des Polwechselsystems konnte die Elektrode/Kathode je nach Werkstofftyp positiv oder negativ gepolt werden.

Im weiteren Verlauf entstand ein Zweikreis-Wasserkühlsystem am Brennerkopf, das eine separate Kühlung von Plasmadüse und Elektrode ermöglicht, da eine effiziente Kühlung für den Hochleistungsschmelzprozess zwingend erforderlich ist. Eine korrekte Auswahl von Werk- sowie Hilfsstoffen war die Voraussetzung zur Realisierung einer optimalen und sicheren Funktion des Gesamtsystems sowie der benötigten elektrischen und thermomechanischen Eigenschaften der Systemfunktionsteile. Ein stark fokussierter Plasmalichtbogen mit hoher Energiedichte wurde zum Schmelzen von Aluminium und anderen Recyclingmaterialien eingesetzt. Dafür wurde eine intensiv gekühlte Plasmadüse (Anode) entwickelt.

Im nächsten Schritt untersuchte das Team den Brennerprototyp an einem Versuchsstand und bewertete ihn hinsichtlich solcher Parameter wie Zündverhalten, Dichtigkeit und Gaszufuhr. Dabei wurde der Brenner im Gleichstrombetrieb mit positiver Elektrode und negativem Potenzial am Bauteil und umgekehrt (mit positiver Elektrode) sowie im Wechselstrombetrieb bei einer Stromstärke von 120 A (Wechselstromfrequenz von 80 bis 120 Hz) getestet. Ein stabiler Lichtbogen konnte erfolgreich gezündet werden, das gewährleistet einen zuverlässigen Schmelzprozess. Der Doppel-Kühlkreislauf lieferte ausreichende Kühlleistung, sodass keine thermischen Schäden auftraten. Die geplante größere Lichtbogenbreite von maximal 50 mm mit einer tieferen Schmelzwirkung wurde mit einer aufgebauten Plasmadüsenkonfiguration realisiert. Ein noch größerer Bereich der Lichtbogenschmelzwirkung wurde durch die integrierte Brennerpendeleinheit am Brennersystem erreicht, wodurch der Brenner in Querrichtung entlang der Breite des abzuschmelzenden Materials mit definierter Vorschubgeschwindigkeit und einem elektrischen Zylinder prozesstechnisch regelbar und bewegbar ist. Dieser Zylinder wurde zur vertikalen Positionierung integriert, um einen konstanten Abstand zwischen Brenner und Material sicherzustellen.

Das Team führte mit der entwickelten Gesamtanlagentechnik außerdem Metallschmelzversuche durch. Der Plasmalichtbogenschmelzbrenner inklusive seiner Technik wurde prozesstechnisch an das Gesamtgießsystem gekoppelt und integriert. Unter Variation der Prozessparameter (Strom, Spannung, Prozessgasmenge, Materialvorschub etc.) wurden Schmelzleistungen von bis zu 0,4 kg/min realisiert. Daraus ergab sich, dass die Brennerfunktionalität und dessen Schmelzleistung durch differenzierte Polung (Gleich- oder Wechselstrombetrieb), variierbare Brennerpendelbreite sowie angepasste Prozessparameter stark beeinflussbar sind. Der Wechselstrombetrieb führte – ebenso wie der Gleichstrombetrieb – zu einem stabilen Plasmalichtbogen und damit zu einem reproduzierbaren und gleichmäßigen Schmelzprozess, jedoch bei geringerer thermischer Beanspruchung der Elektrode und gleichzeitiger Entfernung von Aluminiumoxidschichten auf der Materialoberfläche.

Um eine übermäßige thermische Belastung der Elektrode zu vermeiden, ist der Einsatz von Wechselstrom bei der Bearbeitung von Aluminiumwerkstoffen besonders geeignet. Mit dem realisierten Plasmalichtbogenbetrieb konnten sowohl im Gleich- als auch im Wechselstrombetrieb Aluminiumwerkstoffe mit definierter Schmelzleistung bei unterschiedlichen Prozessparametern erfolgreich geschmolzen werden. Die eingestellte Stromstärke betrug zwischen 130 und 250 A im Gleichstrombetrieb. Der Brenner lief auch im Wechselstrombetrieb unter variierten Stromparametern, dadurch konnten optimale Prozessparameter ermittelt werden. Das Aluminiummaterial wurde dabei mittels Wechselstrom mit einer Frequenz von 100 bis 120 Hz bei einer negativen Wechselstrom-Balance von bis zu 10 % abgeschmolzen. Das durch den Plasmabrenner geschmolzene Aluminiummaterial verwendete das Projektteam im weiteren Verlauf für den Gießprozess zur Herstellung von Gussbauteilen.